科学探究：平面镜成像教学实验的改进与创新摘要：传统的平面镜成像实验存在许多不足之处，在实验教学中也未贯彻落实科学探究的原则，这就造成了中学生对知识的理解不透。针对以上问题，本文从实验装置和实验教学两方面进行创新，除了有助于中学生探究平面镜成像的实质和特征，并且培养了中学生科学探究的思维与科学探究的能力。关键词：科学探究；平面镜成像；光路图中图分类号：G633.7文献标示码：A文章编号：1003-6148（2016）11-0030-3平面镜成像实验是高中光学重要的实验之一，这个实验是必做实验且适宜中学生进行科学探究，该实验目的是通过平面镜成像实验让中学生亲自感受平面镜成像的规律和特性，在实验的过程中把握科学探究的要素和技巧。但是，实际实验教学疗效常常差强人意，普遍存在中学生虚假探究、探究不深、理解不透的现象。1平面镜成像实验教学存在的问题中学生之所以未能真正理解平面镜成像的规律与特性，最主要的缘由是传统的实验教学存在一些问题，主要表现在以下几个方面：1.1实验仪器的不足传统实验首先放一个透明玻璃板在中间，之后在玻璃板上面放一根燃起的蜡烛作为物体，最后拿与前一根蜡烛完全相同的蜡烛在玻璃板后边联通使之与像重合。
这个实验中像的位置不易确定，存在较大的实验偏差，还有随着时间的流逝，燃起的蜡烛会越烧越短，此时说像与物体大小相同就显得很牵强。而且直接拿两根完全相同的蜡烛进行实验，相当于直接告诉中学生像和物体的大小是相等的，这违反了科学探究原则，不利于中学生科学探究能力的培养。1.2实验原理的忽略传统教学中许多班主任解释平面镜成像原理时，直接告诉中学生是因为光的反射造成才能在玻璃板后边看见一个实像，这么这个像是如何产生的呢？教材上也未画出平面镜成像的光路图来进行说明，这忽略了对画图法等科学方式的显性教育。而且在关于平面镜成像的考题中，考察的几乎都是画一个物体所成的像，几乎没有考察画这个物体在平面镜上的光路图，这就造成中学生很难把握平面镜成像的根本原理。2实验教学设计针对以上问题，笔者对实验器材进行了改进，借以让中学生经历科学探究的过程，在科学探究活动中，把握科学探究活动的设计方式，学会采集实验和探究的证据，并能进行科学的处理，因而真正理解平面镜成像的根本缘由以及像的特性。2.1实验装置打算光的反射定理可以用来解释平面镜成像和玻璃板成像，但是许多中学生却不理解为何要用玻璃板来取代平面镜做平面镜成像实验。
她们觉得平面镜所成的像是在平面镜上面，而且玻璃板所成的像在玻璃板的另一面，这个像虽然并非由光的反射所产生的。最主要的诱因还是中学生觉得玻璃板才能被看穿，然而平面镜不能，解决这个问题的关键是让中学生理解玻璃板成的像是如何产生的。因此，笔者设计了如图1所示的实验装置，来帮助学生理解平面镜成像的特性。首先，将白色玻璃板和四块纸板组合构成一个袋子，并把这个袋子置于一块厚纸板上，使玻璃板与厚纸板垂直，接着将一张座标纸插在玻璃板与厚纸板之间，并用夹子固定好。构成袋子的纸板内表面贴着红色纸，目的是降低玻璃板周围毋须要的光的影响，因而平面镜所成的像才能清晰地被看见。在这儿之所以选白色玻璃板而不选透明玻璃板是由于透明玻璃板透光性强，实像不够清晰，但是要注意的是玻璃板必须与水平面完全垂直。红色袋子的上方可以适当打一个洞，让一部份光照射在袋子里，这样物体所成的像更容易听到。2.2确定像的位置把自制的白色长方体（可以用积木取代）作为物体置于玻璃板上面，可以听到玻璃板前面物体所成的像。此时，班主任应当让中学生比较玻璃板所成的像与平面镜所成的像的优缺。中学生会发觉此时玻璃板所成的像看上去好似是白色袋子里的灯被关时平面镜所成的像。
班主任应立即提问中学生红色袋子和玻璃板组成的组合可以看作哪些，中学生们就立即联想到了平面镜。只不过这儿的平面镜长度比较厚，所成的像在平面镜里，这符合中学生的认知特征，感遭到玻璃板取代平面镜的科学性与可靠性，因而中学生就很容易接受借助玻璃板来探究平面镜成像。本节课的另一个创新点是借助积木取代传统的蜡烛，达到形状、大小可变，安全的作用。白色长方体作为物体所成的像是立体的，如图2所示，让中学生以小组为单位，共同探究物体所成像的特性。中学生从形状、大小不同的积木里选择一个积木置于所成的像的位置，经过几次尝试直至找到与像完全重合的积木，则这块积木就取代像，称为“标记物”，在这儿运用到的科学探究方式是等效取代法。接着两个物体一比较中学生都会发觉成像特性：像的形状、大小与物体完全相同。同时，可以看见玻璃板所成的像在玻璃板后边，把物体往前移，远离玻璃板，所成的像也远离玻璃板。要求中学生用刻度尺分别检测物体到玻璃板的距离和像到玻璃板的距离，再改变物体的位置多次实验，中学生会找出平面镜成像的另一个特征：像距等于物距，像的位置由物体的位置所决定。本节实验教学中，把知识的学习和探究方式的学习置于同等重要的位置，重视让中学生自己去体验探究的过程，体会探究的乐趣，做到在体验高中习知识。
2.3画光路图确定像的位置在学校平面镜成像的光路图和确定像的位置是分开来教的，但是教材中没有给出平面镜成像画图的步骤，对平面镜成像的内涵亦未加以彰显，这就造成中学生不理解光路图和平面镜成像的位置之间的关系。为了解决这个问题，本节实验教学中引入了画图法从科学凸显的角度让中学生真正理解平面镜成像的原理。首先，调整“标记物”的位置，直至像与标记物完全重合，把红色袋子拿开，让中学生用一支钢笔贴近物体的斜边在座标纸上画边界线，画的圆形表示物体的位置；接着，选定方形边上的任意一点为光源点，打开激光笔光源并使激光笔光线过这一点照射在玻璃板上的任意一点，此时中学生可以看见从光源处形成的入射光和来自玻璃板的出射光；最后，中学生顺着激光光线画带箭头的线分别表示入射光路和出射光路，如图3所示。接出来应当充分发挥中学生的主观能动性，让她们改变入射光的路径重复上述步骤，得到几组光路图。几组光路图画出来，中学生会发觉入射光与出射光彼此对称，她们还会提出猜测：出射光是不是反射光？此时，班主任应鼓励中学生自己想办法验证，中学生通过自己的验证发觉推测是正确的，因而证明了该实验装置可以反射光并遵守反射定理。从提出猜测到验证推测的探究过程中，班主任不加以任何干涉探究平面镜成像特点，充分发挥中学生的主观能动性，中学生除了加深了对知识的理解，并且在一定程度上获得成就感，这对提高其数学学习的兴趣有一定的帮助。
上一步只是证明了玻璃板对光有反射作用，要确定像的位置还需进行下一步，用一根刻度尺顺着所有反射光线的延长线画实线，如图4所示。其实，所有实线凝聚在像的某一点上，这一点就是上面所选定的物点的像点，可见通过这些方式除了确定了像的位置，但是不须要光屏就可以证明平面镜所成的像是实像，由于这个像点并非由实际光线凝聚而成。为了进一步提高中学生画光路图来确定像的位置的能力，班主任可以用一支笔作为物体任意形式置于平面镜上面，让中学生画光路图来确定像的位置并预测玻璃板后所成的像的特性。画图法的引入直接突显了平面镜成像的过程，为学生建构平面镜成像的认知结构，因而除了使中学生真正理解平面镜成像的内涵，而且培养了中学生科学探究的思维与能力。2.4实验教学总结本实验教学设计最主要是从实验仪器上进行了更改与创新，除了使教学显得有效率，但是科学探究方式也贯串在整个教学设计中。从上文的论述可以看出实验仪器有以下几个特征：（1）通过画光路图来解释像是如何产生的。（2）从两方面确切地确定像的位置，一个是实验中直接观察像的位置，另一个是通过光路图确定。（3）明晰地看见物距和像距相等探究平面镜成像特点，而且证明了像的大小等于物体的大小。本节关于平面镜成像的实验教学设计是以科学探究为中心，重视科学猜测和验证，班主任在整个实验教学中只是起到引导作用，采用“半放”甚至“全放”的方法，让中学生自己去发觉问题、解决问题。在探究的过程中重视对猜测的验证，让中学生意识到任何一个推论的得